利用日本的海洋资源“可燃冰（甲烷水合物）”制氢

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摘要：为实现碳中和等目标，日本政府和企业正在加速相关活动，本文中将对利用海底的可燃冰（甲烷水合物）进行制氢的尝试进行介绍。

关键字：可燃冰、甲烷水合物、低成本制氢、碳中和、脱碳、蒸汽重整、砂层型、表层型

4月22日，日本首相菅义伟在全球变暖对策推进总部的会议上宣布，将提高日本的2030年温室气体减排目标，力争使2030年度温室气体排放量比2013年度减少46%，同时将朝着减少50%的高度继续挑战。

为实现“脱碳”、“碳中和”、“零碳”的目标，日本政府和企业正在加速相关活动，包括经济产业省的“2050年碳中和绿色增长战略”中的14个重点领域在内，将尝试实施并采取更多措施。本文中，将对利用沉睡在海底的“可燃冰”（甲烷水合物）进行制氢的尝试进行介绍。

（图片来自网络）

甲烷为什么会变成冰？

很多人在电视上看到过像冰一样的甲烷水合物冒着火焰燃烧的样子。那么，这样的甲烷水合物到底是什么呢？

甲烷（CH₄）具有一个碳原子，是最简单的烃（由碳和氢组成的化合物、汽油等燃料），在常温常压下是气体。顺便说一下，碳原子数是2个的烃是乙烷（C₂H₆），3个的是丙烷（C₃H₈、丙烷气体），4个的是丁烷（C₄H₁₀、台式炉灶和打火机的丁烷气体），依此类推。

另一方面，水合物是指含有水分子的物质。一般情况下，气体水合物是一种呈冰块晶体状的固体物质，在于低温且高压条件下由水分子形成的12面体、16面体、20面体的笼子中，碳氢化合物气体作为客体被吸收，具有代表性的气体水合物是众所周知的甲烷水合物。

气体分子被吸入由水分子形成的笼子里，这是一种不可思议的现象，但是外观上与冰相似的甲烷水合物重量的15%是甲烷，85%是水。

甲烷水合物存在于哪里？

在西伯利亚等的永久冻土的地下数百至1000米的沉积物中也存在甲烷水合物，但其大部分都存在于海底。

海底的甲烷水合物有砂层型和表层型这两种类型，砂层型存在于大陆架连接至更深海底的海底斜坡内水深500～1000米处的地下数十到数百米。

日本近海拥有世界屈指可数的甲烷水合物储存量，砂层型集中埋藏在本州（西日本）、四国、九州的太平洋一侧。砂层型的调查开始于2001年。

另一方面，表层型的调查开始于2013年，其主要以块状形式存在于日本海侧水深500米以上的海底泥土中。在新泻县上越海域的集积地，已证实其埋藏量换算为甲烷的话约为6亿立方米，相当于日本约2天的天然气消耗量。另外，同样的地质结构在日本国内有1742处。

也有报道称，这样的日本甲烷水合物的资源量换算为甲烷的话，“估计为12.6兆立方米，相当于日本100年以上的天然气消耗量”。

日本近海的甲烷水合物的开采

如上所述，甲烷水合物已被作为天然气的原料进行了调查，但日本政府在2月的综合资源能源调查会上，还提出将甲烷水合物用作制氢、甚至制氨的原料。

过去，一直在对砂层型的开采进行研发，但是近年来，也在对较浅的表层型进行调查。目前，其开采技术还没有确立。

三井海洋开发株式会社是一家世界性企业，主要开发从海底有效吸取石油等的技术，并提供安装在海上的浮体式生产设备。据报道，三井海洋开发今年已先于其他公司开始着手进行甲烷水合物的开采实验。计划在开采甲烷水合物后，将其抽取上来并提取甲烷，利用海底管道输送到陆地基地。

具有挖掘海底矿物技术的三菱重工集团的三菱造船株式会社也已经着手开发这种开采技术，并计划将挖掘出的甲烷水合物抽取到船上。

低成本制氢

氢气作为新能源而备受关注，其主要制造方法是：使石油或天然气中所含的甲烷等碳氢化合物与蒸汽发生反应，从而分解为氢气和二氧化碳（蒸汽重整方法）。

该方法已经在技术上得到确立，但是由于日本必须进口石油和天然气，因此存在确保稳定性和价格，以及地缘政治风险等问题。

另一方面，甲烷燃烧时排放的二氧化碳量仅为石油和煤炭的约一半，因此，甲烷作为全球变暖对策也被认为是一种有效的新能源。另外，甲烷还具有制氢过程中产生的二氧化碳较少的优点。

在经济产业省于3月22日发表的“今后氢政策的课题和对应的方向性中间调整（提案）”中，政府表示计划在2050年将氢的引入量增加到2000万吨左右。

但是，为了达到这一目标，将来必须将氢气价格由现在的约100日元（约5.9元）/标准立方米（大气压下0℃的体积）降低到20日元（约1.2元）/标准立方米。如果能活用日本近海里丰富的甲烷水合物的话，也能实现氢气的低价供应吧。

总结：甲烷水合物开采的意义

甲烷水合物开采的意义如上所述，其不仅可以用作燃料，还可以用作制氢的原料。关于利用氢获得能量的方法，现在可能没有成本竞争力，但是毫无疑问，从现在开始预先投资的话，在中长期内，对日本来说将是一笔巨大的财富。

甲烷本身也是一种强效温室效应气体，据说其温室效应是相同量二氧化碳的21~72倍。甲烷是一种火山气体，不断地从世界上最大的火山带即日本列岛以及近海中大量释放出来，此外，当气温上升的时候，海底和永久冻土中的甲烷水合物也会释放出甲烷。

因此，有意见认为，应该开采二氧化碳排放量少的甲烷水合物，积极地使之燃烧，或者将其用于制氢。甲烷水合物的开采及其用途目前尚未商业化，期待甲烷水合物开发实施研讨会的计划能够尽早实施。

参考资料：

・关于甲烷水合物开发的研究状况（报告）（经济产业省/资源能源厅，2017年2月）

・今后氢政策的课题和对应的方向性中间调整（提案）（经济产业省，2021年3月22日）

・表层型甲烷水合物的开发方法（三井海洋开发）

翻译：王宁愿

审校：李涵、贾陆叶

统稿：李淑珊

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